以蒙脱石为代表的2:1型黏土矿物是地球表层最为丰富的矿物类型，因其比表面积高、层间阳离子交换容量大、表面活性强而成为控制金属元素地球化学循环和重金属环境归趋的关键矿物。精准预测多种金属在黏土矿物表面的竞争吸附行为是揭示金属元素地球化学行为和研发重金属污染修复材料的关键科学问题。传统的表面络合模型（Surface Complexation Model, SCM）源自经验假设与实验数据拟合，缺乏界面反应机制的理论支撑，导致该模型的可移植性和拓展性差，虽能描述单一金属的吸附行为，但对多种金属竞争吸附尚不能准确预测。

南京大学地球科学与工程学院计算矿物学团队构建了一套能够模拟黏土矿物表面竞争吸附的多尺度理论模型（图1）。该模型基于第一性原理分子动力学计算（First-Principles Molecular Dynamics, FPMD），自下而上整合晶体结构和界面反应性，精确厘定矿物表面吸附位点的几何参数与酸度以及金属离子的吸持机制（包括金属离子的晶格置换、层间的阳离子交换、边缘表面上的竞争-吸附）（图2），从而实现对竞争吸附的精确模拟。该模型能够成功再现多金属离子竞争吸附体系的实验数据（图3），预测能力明显优于当前被广泛应用的双位点非静电离子交换模型（2SPNE SC/CE，瑞士保罗谢勒研究所开发）（图3A）。该模型还能解析pH升高背景下三类吸附机制—阳离子交换、独立吸附与竞争吸附的转换（图3B），定量描述不同金属在黏土矿物表面的分配行为。该模型为多种元素的地球化学循环与环境行为的跨尺度研究提供了新的理论框架，在理解金属成矿、研发土壤修复技术以及核废物屏障安全评价等领域具有重要的应用前景。

图1. 多尺度黏土矿物表面络合模型的构建

图2. 金属离子在蒙脱石上的吸持机制

图3.（A）Ni2+在蒙脱石上的吸附分布系数随Pb2+浓度变化的竞争吸附曲线;（B）Ni2+在蒙脱石上吸附分布系数随pH变化的模型曲线分解。

该成果于2026年2月24日以“An Accurate and Efficient Framework for Modelling Multi-Metal Competitive Adsorption on Clay Minerals”为题发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）。南京大学地球科学与工程学院，关键地球物质循环与成矿全国重点实验室和关键地球物质循环前沿科学中心的博士后高鹏元为第一作者，刘显东教授为通讯作者，陆现彩教授和法国奥尔良大学-奥尔良地球科学研究所 Christophe Tournassat 教授作为参与作者。研究工作受到国家自然科学基金委、教育部基础学科与交叉学科突破计划、中国博士后科学基金、国家资助博士后研究人员计划的联合资助。